JPWO2014185178A1 - Heat storage system - Google Patents
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Abstract
固相となった蓄熱材による伝熱低下を抑制可能な蓄熱システムを提供する。蓄熱最低温度がTminである蓄熱システムにおいて、蓄熱材として、蓄熱最低温度Tminにおいて固液共存状態となる非共晶組成の混合塩からなるものを用いた。Provided is a heat storage system capable of suppressing a decrease in heat transfer due to a heat storage material in a solid phase. In the heat storage system in which the minimum heat storage temperature is Tmin, a heat storage material made of a mixed salt of a non-eutectic composition that is in a solid-liquid coexistence state at the minimum heat storage temperature Tmin is used.
Description
本発明は、蓄熱システムに関するものである。 The present invention relates to a heat storage system.
集熱エリアで太陽光を集光して集熱し、この熱により水蒸気を生成して蒸気タービンを駆動し発電を行う太陽熱発電システムが知られている。太陽熱発電システムでは、夜間や日射量が得られない時間帯での発電を補い、出力電力の過渡的な変化を抑制するために、蓄熱システムが備えられるのが一般的である。 A solar thermal power generation system is known in which sunlight is collected and collected in a heat collection area, and steam is generated by this heat to drive a steam turbine to generate electric power. In a solar thermal power generation system, a heat storage system is generally provided in order to supplement power generation at night or in a time zone where the amount of solar radiation cannot be obtained and to suppress a transient change in output power.
太陽熱発電システム等に用いられる蓄熱システムとして、液体状態のソーラーソルトと呼ばれる溶融塩(硝酸カリウム(KNO3)と硝酸ナトリウム(NaNO3)の混合物、硝酸ナトリウムの質量分率は0.6)を蓄熱材として用い、顕熱により蓄熱を行うものが知られている(例えば、特許文献1参照)。As a heat storage system used for solar thermal power generation systems, etc., a molten salt called liquid solar salt (mixture of potassium nitrate (KNO 3 ) and sodium nitrate (NaNO 3 ), mass fraction of sodium nitrate is 0.6) is a heat storage material It is known that the heat is stored by sensible heat (for example, see Patent Document 1).
しかし、蓄熱量が例えば1TJと大きくなると、顕熱を用いた蓄熱システムでは蓄熱槽が大きくなりすぎ、現実的ではなくなる。そこで、蓄熱槽の寸法を現実的なものとするため、潜熱を利用した蓄熱システムが望まれる。 However, when the heat storage amount becomes as large as 1 TJ, for example, the heat storage tank using the sensible heat becomes too large, which is not realistic. Therefore, in order to make the size of the heat storage tank realistic, a heat storage system using latent heat is desired.
しかしながら、潜熱を利用した従来の蓄熱システムでは、凝固時に固相となった蓄熱材が伝熱管に付着してしまい、伝熱低下が引き起こされてしまうという問題があった。 However, the conventional heat storage system using latent heat has a problem that the heat storage material that has become a solid phase at the time of solidification adheres to the heat transfer tube, causing a decrease in heat transfer.
この問題を解決するため、伝熱管を蓄熱槽内の全体に張り巡らせて、伝熱促進を図ることが考えられるが、蓄熱槽が大型である場合、蓄熱槽全体に伝熱管を張り巡らせると非常にコストが高くなってしまう。なお、潜熱を利用することにより、顕熱を利用した場合と比較して蓄熱槽を小型化することが可能であるが、この場合でも、蓄熱量が1TJ程度になると蓄熱槽の容積は1000m3のオーダーとなり、蓄熱槽全体に伝熱管を張り巡らせることは容易ではない。In order to solve this problem, it is conceivable to spread the heat transfer tubes throughout the heat storage tank to promote heat transfer. However, if the heat storage tank is large, it is The cost will be high. In addition, by using latent heat, it is possible to reduce the size of the heat storage tank as compared with the case of using sensible heat, but even in this case, the volume of the heat storage tank is 1000 m 3 when the heat storage amount is about 1 TJ. It is not easy to stretch the heat transfer tubes around the entire heat storage tank.
そこで、本発明は、上記課題を解決し、潜熱を利用した蓄熱システムにおいて、固相となった蓄熱材による伝熱低下を抑制可能な蓄熱システムを提供することを目的とする。 Then, this invention solves the said subject, and aims at providing the thermal storage system which can suppress the heat-transfer fall by the thermal storage material used as the solid phase in the thermal storage system using a latent heat.
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、蓄熱最低温度がTminである蓄熱システムにおいて、蓄熱材として、蓄熱最低温度Tminにおいて固液共存状態となる非共晶組成の混合塩からなるものを用いた蓄熱システムである。The present invention has been made in order to achieve the above object, the heat storage minimum temperature in the heat storage system is a T min, as a heat storage material, the heat storage minimum temperature T becomes the solid-liquid coexistence state in min of non-eutectic composition This is a heat storage system using a mixed salt.
前記蓄熱材として、固液共存状態となる温度幅が1℃以上であるものを用いてもよい。 As the heat storage material, a material having a temperature range in which a solid-liquid coexistence state is 1 ° C. or more may be used.
蓄熱最低温度Tminが150℃以上であってもよい。The minimum heat storage temperature T min may be 150 ° C. or higher.
本発明によれば、固相となった蓄熱材による伝熱低下を抑制可能な蓄熱システムを提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the thermal storage system which can suppress the heat-transfer fall by the thermal storage material used as the solid phase can be provided.
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1(a)は、本実施の形態に係る蓄熱システムの模式図であり、図1(b)は、本実施の形態で蓄熱材として用いる硝酸カリウム(KNO3)と硝酸ナトリウム(NaNO3)の混合物の状態遷移図である。FIG. 1A is a schematic diagram of a heat storage system according to the present embodiment, and FIG. 1B is a diagram of potassium nitrate (KNO 3 ) and sodium nitrate (NaNO 3 ) used as heat storage materials in the present embodiment. It is a state transition diagram of a mixture.
図1(a)に示すように、蓄熱システム1は、蓄熱材2を貯留する蓄熱槽3と、蓄熱槽3内に設けられた2つの熱交換器4,5と、を備えている。
As shown in FIG. 1A, the
冷却側熱交換器4は、低温の第1熱媒体が供給され、第1熱媒体と蓄熱材2とを熱交換させることで、蓄熱材2を冷却し、熱交換により高温となった第1熱媒体を熱負荷等に出力するものである。冷却側熱交換器4は、第1熱媒体を通す伝熱管からなり、蓄熱槽3内の上部のみに設けられる。
The cooling-
加熱側熱交換器5は、高温の第2熱媒体が供給され、第2熱媒体と蓄熱材2とを熱交換させることで、蓄熱材2を加熱して蓄熱させるものである。加熱側熱交換器5は、第2熱媒体を通す流路が内部に設けられた板状の熱交換器であるホットプレートからなり、蓄熱槽3の底面に設けられる。
The heating-
図示していないが、蓄熱槽3内には、蓄熱材2を撹拌する撹拌手段を備えてもよい。また、蓄熱槽3には、固相となった蓄熱材2を冷却側熱交換器4の表面から強制的に剥落させる手段を備えてもよい。
Although not shown, the
本実施の形態では、太陽熱発電システム等の高温のシステムに適用することを想定しているため、蓄熱最低温度Tminは150℃以上、好ましくは200℃以上とする。ここでは、一例として、蓄熱システム1の蓄熱最高温度Tmaxが400℃、蓄熱最低温度Tminが250℃である場合を説明する。In this embodiment, since it is assumed that the present invention is applied to a high-temperature system such as a solar thermal power generation system, the minimum heat storage temperature T min is 150 ° C. or higher, preferably 200 ° C. or higher. Here, the case where the heat storage maximum temperature Tmax of the
さて、本実施の形態に係る蓄熱システム1では、蓄熱材2として、蓄熱最低温度Tminにおいて固液共存状態となる非共晶組成の混合塩からなるものを用いる。Now, in the
ここでは、蓄熱材2として、硝酸カリウム(KNO3)と硝酸ナトリウム(NaNO3)とを非共晶となる組成で混合した2成分混合塩を用いる場合を説明する。Here, a case where a binary mixed salt in which potassium nitrate (KNO 3 ) and sodium nitrate (NaNO 3 ) are mixed in a non-eutectic composition is used as the
図1(b)に示すように、硝酸カリウムと硝酸ナトリウムの混合物では、硝酸ナトリウムのモル分率が0.49となる組成で共晶となる。よって、この共晶となる組成以外の組成とし、かつ、蓄熱最低温度Tminである250℃において固液共存状態となるように、組成を決定する必要がある。As shown in FIG.1 (b), in the mixture of potassium nitrate and sodium nitrate, it becomes a eutectic with the composition in which the molar fraction of sodium nitrate becomes 0.49. Therefore, it is necessary to determine the composition so as to be in a solid-liquid coexistence state at 250 ° C., which is the lowest heat storage temperature T min , and a composition other than the composition that becomes eutectic.
本実施の形態では、図1(b)に太線破線で示した組成、すなわち硝酸ナトリウムのモル分率が0.786(質量分率が0.755)となる組成のものを蓄熱材2として用いた。
In the present embodiment, the composition indicated by the thick broken line in FIG. 1B, that is, the composition having a sodium nitrate molar fraction of 0.786 (mass fraction of 0.755) is used as the
この場合、蓄熱材2は、蓄熱最高温度Tmaxである400℃から徐々に冷却していくと、274℃で固相が生じ、さらに冷却されると固相率を徐々に増加させながら蓄熱最低温度Tminである250℃に至る。このとき、最も低温となる冷却面(冷却側熱交換器4である伝熱管の表面)にて固相が発生し、その固相が冷却面に沿って成長するが、固相は冷却面に密着しないため、蓄熱材2の流動等によってはがれ落ちる。なお、蓄熱最低温度Tminである250℃からさらに冷却すると、234℃で蓄熱材2は完全に固相になる。つまり、図示太線実線で示す温度領域が固液共存状態となる。In this case, when the
蓄熱材2の固相率は、温度により制御することができる。固液共存状態となる温度幅が狭すぎると所望の固相率に制御することが困難になるので、固液共存状態となる温度幅が1℃以上となるように組成を決定することが望ましい。なお、特許文献1のように固相と液相で物質が異なる固液共存状態となる蓄熱材を用いた場合には、温度による固相率の制御は困難である。
The solid phase rate of the
上述のように、非共晶組成の2成分混合塩を蓄熱材2として用いると、凝固して固相となった蓄熱材2が冷却面(冷却側熱交換器4である伝熱管の表面)に強く付着せず、容易にはがれ落ちるようになる。
As described above, when a two-component mixed salt having a non-eutectic composition is used as the
これは、凝固しはじめる際に冷却面付近の固相率が局所的に大きくなるため、融点が比較的低い液相の溶融塩が冷却面と固相の間に入り込みながら凝固が進行するためだと考えられ、非共晶の溶融塩の固液共存領域が温度幅をもって存在することに起因すると考えられる。したがって、液相の状態から徐々に固相が増加するように(つまり徐々に温度を低下させるように)制御を行うことで、固相となった蓄熱材2が冷却面に密着してしまうことを抑制可能になる。
This is because the solid fraction near the cooling surface increases locally when it begins to solidify, and solidification proceeds while the molten salt in the liquid phase with a relatively low melting point enters between the cooling surface and the solid phase. It is considered that the solid-liquid coexistence region of non-eutectic molten salt exists with a temperature range. Therefore, by controlling so that the solid phase gradually increases from the liquid phase state (that is, gradually lowering the temperature), the
蓄熱材2の流動や撹拌等によりはがれ落ちた固相の蓄熱材2は、液相の蓄熱材2よりも比重が大きいため、蓄熱槽3の下部に沈降する。よって、蓄熱槽3の上部に冷却側熱交換器4を設けることで、液相の蓄熱材2を効率よく冷却することが可能になる。また、蓄熱槽3の底面に加熱側熱交換器5を設けることで、固相の蓄熱材2が自重により加熱側熱交換器5に押しつけられることになり、固相の蓄熱材2を効率よく加熱することが可能になる。
The solid-phase
本実施の形態では、蓄熱材2として硝酸カリウムと硝酸ナトリウムの混合物を用いたが、これに限らず、蓄熱最低温度Tminにおいて固液共存状態となる非共晶組成の混合塩であれば、蓄熱材2として使用可能である。In the present embodiment uses a mixture of potassium nitrate and sodium nitrate as the
例えば、Tmax=400℃、Tmin=250℃に設定する場合、蓄熱材2として、CsNO3とNaNO3の混合物、LiNO3とNaNO3の混合物、NaNO3とRbNO3の混合物を用いることが可能である。また、Tmin=280℃に設定する場合、蓄熱材2として、LiBrとNaNO3の混合物等を用いることが可能である。それぞれの平衡状態図を図2〜5に示す。For example, when T max = 400 ° C. and T min = 250 ° C., a mixture of CsNO 3 and NaNO 3, a mixture of LiNO 3 and NaNO 3, and a mixture of NaNO 3 and RbNO 3 are used as the
図2に示すように、蓄熱材2としてCsNO3とNaNO3の混合物を用いる場合、NaNO3のモル分率を0.902(質量分率を0.801)とすることで、Tmin=250℃において固液共存状態とすることができる。同様に、図3のLiNO3とNaNO3の混合物を蓄熱材2として用いる場合はNaNO3のモル分率を0.877(質量分率を0.898)、図4のNaNO3とRbNO3の混合物を蓄熱材2として用いる場合はRbNO3のモル分率を0.105(質量分率を0.169)とすることで、Tmin=250℃において固液共存状態とすることができる。また、図5のLiBrとNaNO3の混合物を蓄熱材2として用いる場合はNaNO3のモル分率を0.964(質量分率を0.963)とすることで、Tmin=280℃において固液共存状態とすることができる。なお、図2〜5においても、図1(b)と同様に、固液共存状態となる温度領域を太線実線で表している。As shown in FIG. 2, when a mixture of CsNO 3 and NaNO 3 is used as the
また、蓄熱材2としては、蓄熱最低温度Tminにおいて固液共存状態となる非共晶組成の混合塩であれば、3成分以上のものを用いることも可能である。As the
例えば、3成分系溶融塩として、ヒートトランスファーソルト(HTS)と呼称されるNaNO3とKNO3とNaNO2の混合塩が知られている。このHTSの組成を一般的に使用されている共晶組成(NaNO3:7mol%、KNO3:44mol%、NaNO2:49mol%、融点は142℃)から変化させ、NaNO3:7mol%、KNO3:70mol%、NaNO2:23mol%と非共晶組成にして凝固実験を行った。その結果、固相となった蓄熱材2は、冷却面から小さな粒子状となって剥離し、冷却面から固相が剥離し易くなっていることが確認された。For example, a mixed salt of NaNO 3 , KNO 3 and NaNO 2 called heat transfer salt (HTS) is known as a ternary molten salt. The composition of this HTS was changed from the commonly used eutectic composition (NaNO 3 : 7 mol%, KNO 3 : 44 mol%, NaNO 2 : 49 mol%, melting point 142 ° C.), NaNO 3 : 7 mol%, KNO The solidification experiment was conducted with a non-eutectic composition of 3:70 mol% and NaNO 2 : 23 mol%. As a result, it was confirmed that the
以上説明したように、本実施の形態に係る蓄熱システム1では、蓄熱材2として、蓄熱最低温度Tminにおいて固液共存状態となる非共晶組成の混合塩からなるものを用いている。As described above, in the
これにより、凝固して固相となった蓄熱材2が冷却面に強く付着せずに、容易にはがれ落ちるようになるため、固相となった蓄熱材2による伝熱低下を抑制可能になる。その結果、蓄熱槽3全体に伝熱管を張り巡らせずとも潜熱を利用することが可能になり、低コスト化および蓄熱量の向上が可能になる。
As a result, the
さらに、蓄熱システム1では、蓄熱材2が冷却面に強く付着せずはがれ落ちるため、従来よりも蓄熱最低温度Tminでの固相率を高く設定しても伝熱低下を抑制できることになり、蓄熱量をさらに向上させることが可能になる。Furthermore, in the
蓄熱最低温度Tminが150℃以上となるような蓄熱システム1において、固液共存状態で使用でき、かつ、固相の冷却面への付着を抑制できるような蓄熱材2は従来見出されていなかったため、本発明は、高温領域で使用される蓄熱システム1の発展に大きく寄与すると考えられる。In the
本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
固相が冷却面に固着するか、あるいは離脱し得るかを実験的に把握するため、図6に示すような実験装置61を作成し、実験を実施した。
In order to experimentally grasp whether the solid phase is fixed to the cooling surface or can be detached, an
実験装置61は、ビーカー63内に貯留された蓄熱材2に、金属板64の一端部を浸漬すると共に、金属板64の他端部を蓄熱材2から露出させて冷却するように構成されている。ビーカー63の下に配置したヒータ67の温度を徐々に下げ、金属板64の長手方向の温度分布および蓄熱材2の温度を熱電対65とデータロガー66で計測しつつ、固相が生成する様相を観察した。なお、図示していないが、観測を容易とするため、金属板64の蓄熱材2から露出した他端部を保温して固相の生成を遅くした。
The
蓄熱材2としては、図1(b)の硝酸カリウムと硝酸ナトリウムの混合物を用いた。蓄熱では比熱が大きい方が有利なため、通常、硝酸カリウムと硝酸ナトリウムの混合物は、共晶となる組成(硝酸ナトリウムのモル分率が0.49)よりも硝酸ナトリウムが多い組成、具体的には硝酸ナトリウムのモル分率が0.64となる組成(ソーラーソルトと呼ばれる)で使用されている。ここでは、ソーラーソルトよりさらに硝酸ナトリウムが多い図1(b)に太線破線で示した組成、すなわち硝酸ナトリウムのモル分率が0.786(質量分率が0.755)となる非共晶の組成で用いた。
As the
蓄熱材2の温度を徐々に下げると、最も低温となる金属板64のメニスカス付近に固相が発生し、金属板64の表面に沿って成長したが、固相は金属板64に密着しておらず、撹拌されている液相の蓄熱材2の流動によってはがれた。また、金属板64の表面に沿って成長した固相は半透明であり、デンドライト状(樹枝状)の凹凸が認められ、凸部は薄い箇所より透明度が低かった。図7(a)に、このときの温度履歴を示す。図7(a)に示すように、蓄熱材2の温度低下に伴い金属板64の温度も低下したが、その温度差はほぼ一定であった。
When the temperature of the
非共晶組成では、固液共存状態となる領域は温度幅をもって存在し、その温度における固相率は一意に定まる。凝固し始める際は金属板64の表面付近の固相率が局所的に大きくなるため、融点が比較的低い液相の蓄熱材2が金属面と固相の間に入り込みながら凝固が進行すると考えられる。それゆえ、温度が十分に低下するまで固相となった蓄熱材2が金属板64に密着せず、はがれやすくなっていると考えられる。
In the non-eutectic composition, a region that is in a solid-liquid coexistence state exists with a temperature range, and the solid phase ratio at that temperature is uniquely determined. When solidification starts, the solid phase ratio in the vicinity of the surface of the
他方、比較のために、共晶組成の蓄熱材を徐々に冷却して観察を行った。蓄熱材に浸漬している金属板64の表面には透明な薄い膜状の固相が発生し、徐々に厚さが増加し、撹拌されている液相の蓄熱材の流動によってもはがれることはなかった。図7(b)に、このときの温度履歴を示す。図7(b)に示すように、凝固時、蓄熱材はほぼ一定の温度を保つが、金属板64の温度は固相の成長と共に大きく低下し、温度差は拡大した。
On the other hand, for comparison, the heat storage material having the eutectic composition was gradually cooled and observed. A transparent thin film-like solid phase is generated on the surface of the
以上説明したように、蓄熱材2として非共晶組成のものを用いた場合は、金属面に生成した固相が撹拌されている液相の蓄熱材2の流動によりはがれ落ちたが、共晶組成でははがれ落ちなかった。固相の金属面への付着性の違いは、非共晶の溶融塩の固液共存領域が温度幅をもって存在することに起因すると考えられる。
As described above, when a
したがって、蓄熱材2として、蓄熱最低温度Tminにおいて固液共存状態となる非共晶組成の混合塩からなるものを用いることで、固相となった蓄熱材2が冷却面に強く付着せずに容易にはがれ落ちるようになり、固相となった蓄熱材2による伝熱低下を抑制可能になる。Therefore, as the
1 蓄熱システム
2 蓄熱材
3 蓄熱槽
4 冷却側熱交換器
5 加熱側熱交換器DESCRIPTION OF
Claims (3)
蓄熱材として、蓄熱最低温度Tminにおいて固液共存状態となる非共晶組成の混合塩からなるものを用いた
ことを特徴とする蓄熱システム。In a heat storage system with a minimum heat storage temperature of T min ,
A heat storage system using a non-eutectic mixed salt that is in a solid-liquid coexistence state at the minimum heat storage temperature T min as the heat storage material.
請求項1記載の蓄熱システム。The heat storage system according to claim 1, wherein a material having a temperature range of 1 ° C. or higher is used as the heat storage material.
請求項1または2記載の蓄熱システム。The heat storage system according to claim 1 or 2, wherein the minimum heat storage temperature T min is 150 ° C or higher.
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